달의 얼음: 미래 달 탐사의 희망

NASA의 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter) 미션의 새로운 데이터 분석에 따르면, 달의 먼지와 암석(레골리스)에 있는 얼음의 매장량은 이전에 생각했던 것보다 더 광범위하다. 얼음은 미래의 달 탐사에 귀중한 자원이 될 것이다. 물은 방사선 차폐와 인간 탐험가 지원에 사용될 수 있거나, 수소와 산소 성분으로 분해되어 로켓 연료, 에너지, 호흡용 공기를 만들 수 있다.

이전 연구에서는 달 남극 근처의 더 큰 영구적으로 그늘진 지역(PSR)에서, 카베우스, 호워스, 슈메이커, 파우스티니 크레이터 내의 지역을 포함하여 얼음의 징후를 발견했다. 새로운 연구에서, "우리는 남극에서 적어도 남위 77도까지 PSR 내에 물 얼음의 광범위한 증거가 있음을 발견했다"고 메릴랜드 그린벨트의 NASA 고다드 우주 비행 센터의 티모시 P. 매클래넌 박사는 말했다.

이 연구는 또한 달 임무 계획자들에게 얼음이 있을 가능성이 높고 낮은 곳을 나타내는 지도와 표면 특성을 제공함으로써 도움을 준다. "우리의 모델과 분석은 가장 많은 얼음 농도가 PSR의 가장 추운 위치, 즉 75 켈빈(-198°C 또는 -325°F) 이하의 위치와 PSR의 극을 향한 경사면의 기저 근처에서 발생할 것으로 예상된다"고 매클래넌은 말했다.

"우리는 PSR의 얼음 매장량을 정확하게 측정하거나 그것들이 건조한 레골리스 층 아래에 매장되어 있는지 여부를 확인할 수 없다. 그러나 우리는 이러한 매장지 위에 있는 각각의 표면 1.2 평방 야드(평방 미터)에 대해 표면 상위 3.3 피트(미터) 내에 주변 지역에 비해 적어도 약 5쿼트(5리터) 이상의 얼음이 있어야 할 것으로 예상한다"고 매클래넌은 말했다. 이 연구는 또한 더 적고, 더 작거나, 농도가 낮은 얼음 매장지가 주로 더 따뜻하고 주기적으로 빛을 받는 지역에서 발생할 것으로 예측되는 곳을 지도로 만들었다.

 

 

달의 얼음의 기원과 탐지

달의 얼음은 혜성과 운석의 충돌, 달 내부에서 증기(가스)로 방출되거나, 태양풍의 수소와 레골리스의 산소 사이의 화학 반응을 통해 형성될 수 있다. PSR(영구적으로 그늘진 지역)은 일반적으로 달의 극 근처의 지형적 저지대에 발생한다. 낮은 태양 각도 때문에 이러한 지역은 수십억 년 동안 햇빛을 받지 않았기 때문에 영구적으로 극한의 추위에 놓여 있다. 얼음 분자는 운석, 우주 방사선, 또는 햇빛에 의해 레골리스에서 반복적으로 떨어져 나와 달 표면을 가로질러 이동하다가 PSR에 착륙하여 극한의 추위에 갇히는 것으로 생각된다. PSR의 지속적으로 추운 표면은 얼음 분자를 표면 근처에서 수십억 년 동안 보존할 수 있으며, 이곳에서 채굴할 수 있을 만큼 풍부한 매장지로 축적될 수 있다. 얼음은 직사광선에 노출된 표면에서는 빠르게 손실되는 것으로 생각되며, 이는 그들의 축적을 막는다.

연구팀은 LRO의 LEND(Lunar Exploration Neutron Detector) 장치를 사용하여 중간 에너지의 "에피열" 중성자를 측정하여 얼음 퇴적물의 징후를 감지했다. 구체적으로, 연구팀은 18.6마일(30km) 직경의 고정된 시야를 가진 LEND의 CSETN(Collimated Sensor for Epithermal Neutrons)을 사용했다. 중성자는 폭발하는 별과 같은 강력한 심우주 사건에서 오는 고에너지 은하 우주선에 의해 생성되며, 달 표면에 충돌하여 레골리스 원자를 분해하고 중성자라고 불리는 아원자 입자를 산란시킨다. 최대 약 3.3피트(미터) 깊이에서 발생할 수 있는 중성자는 레골리스를 통해 핑퐁 방식으로 이동하면서 다른 원자와 충돌한다. 일부는 우주로 향하여 LEND에 의해 감지될 수 있다. 수소는 중성자와 질량이 거의 같기 때문에, 수소와의 충돌은 대부분의 일반적인 레골리스 원소와의 충돌보다 중성자가 상대적으로 더 많은 에너지를 잃게 한다. 따라서 레골리스에 수소가 존재하는 곳에서는 그 농도가 관측된 중간 에너지 중성자의 수에 상응하는 감소를 일으킨다.

 

 

달의 얼음 탐지 모델과 연구

"모든 PSR이 같은 수소 농도를 가지고 있다면, CSETN은 그들의 면적의 함수로 그들의 수소 농도를 비례적으로 감지해야 한다고 가설을 세웠습니다. 따라서 더 많은 수소가 더 큰 면적의 PSR에서 관측되어야 합니다"라고 매클래넌은 말했다.

이 모델은 유사한 수소 강화 PSR이 CSETN의 고정된 면적 시야에 의해 어떻게 감지될 것인지를 보여주는 이론적 연구에서 개발되었다. 상관관계는 1.5평방 마일(4km²)에서 417평방 마일(1079km²)의 범위의 면적을 가진 502개의 PSR의 중성자 방출을 사용하여 주변의 수소 강화가 덜 된 지역과 대조하여 입증되었다. 상관관계는 작은 PSR에서는 예상대로 약했지만, 더 큰 면적의 PSR에서는 증가했다.

이 연구는 LRO 프로젝트 과학팀, NASA 고다드 우주 비행 센터의 인공 지능 작업 그룹, NASA 보조금 번호 80GSFC21M0002의 지원을 받았다. 이 연구는 NASA의 LRO 디바이너 라디오미터와 달 궤도 레이저 고도계를 사용하여 수행되었다. LEND 장치는 러시아 우주국 로스코스모스의 우주 연구소(IKI)에 의해 개발되었다. LEND는 NASA 고다드 우주 비행 센터에서 LRO 우주선에 통합되었다. LRO는 워싱턴에 있는 NASA 본부의 과학 미션 디렉토리ate를 위해 메릴랜드 그린벨트의 NASA 고다드 우주 비행 센터에 의해 관리된다.